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    電流控制級、定電流控制系統、以及電流控制方法，適用於一背光系統。該背光系統包含有一電壓控制級，在一輸出端提供一輸出電壓，具有一補償端。該補償端之補償電壓大約決定該電壓控制級的輸出功率。該背光系統具有一發光元件，其一端耦接於該輸出端。該電流控制級包含有一電流控制器以及一回饋裝置。該電流控制器耦接至該發光元件之另一端，使流經該發光元件的發光電流大約為一電流預設值。該電流控制器具有一控制端，其控制電壓大約控制該發光電流。該回饋裝置，依據該控制電壓，來影響該補償電壓，以使得該控制電壓大約維持在一第一電壓預設值。
    公开号:TW201308289A
    申请号:TW100128818
    申请日:2011-08-12
    公开日:2013-02-16
    发明作者:Ching-Tsan Lee
    申请人:Leadtrend Tech Corp；
    IPC主号:H05B45-00
    专利说明:
    電流控制級、定電流控制系統、以及電流控制方法
    本發明係相關於背光系統，尤指關於背光系統之發光元件的電源供應電路。
    對於手持式與移動型電子裝置，像是智慧型手機以及筆記型電腦等，能量使用的效率一直是業界不斷追求的一個目標。唯有攜帶有足夠的電能以及有效率的運用，才能延展手持式與移動型電子裝置的使用時間。在手持式與移動型電子裝置中，螢幕的背光，也是一個主要的能量消耗源。目前背光一般都已經以發光二極體(light emitted diode)來做為光源，因為其具有比較好的電光轉換效能。但是，如何能夠有效率的驅動LED，則是電源供應器設計者努力的目標之一。
    第1圖顯示習知之一背光系統8。背光系統8大約可以區分成三個部分：電壓控制級4、電流控制級6、以及作為背光的發光二極體串(LED chains)L1~LN。透過回饋端FB以及補償端COM所提供的回饋機制，以及功率開關15控制電感元件PRM的釋能與儲能，電壓控制級4在輸出端OUT上建立輸出電壓VOUT。電流控制級6中的控制單元20控制了NMOS電晶體N1~NN的閘端(gate)，使得每個發光二極體串所流經的電流都相等，如此，每個發光二極體的亮度大致都會差不多，可以達到亮度均勻的目標。每個發光二極體串中的發光二極體的數目，可以一樣，也可以不一樣。
    每一個NMOS電晶體N1~NN都可以視為一個電壓控制電流源，流經其中的電流，大致上是由其閘端的控制電壓所決定。舉NMOS電晶體N1為例，NMOS電晶體N1的汲極到源極的壓降VDS，需要到達一定最小值VDS-MIN以上，NMOS電晶體N1才能表現出電壓控制電流源的行為。如果壓降VDS太高，NMOS電晶體N1便會消耗太多電能，減低了整個背光系統8的效率。因此，要讓背光系統8的效率最佳化，就應該讓NMOS電晶體N1~NN的汲極電壓不低於，但越靠近最小值VDS-MIN越好。因此，電流控制級6具有二極體陣列12，把NMOS電晶體N1~NN的汲極電壓中的最小值送給控制單元20，控制單元20透過端CRT，據以調整回饋端FB的回饋電壓VFB，也調整了補償端COM的補償電壓VCOM，改變了電壓控制級4的輸出功率。
    舉例來說，控制單元20透過二極體陣列12發現當下NMOS電晶體N1~NN的汲極電壓中最小值是0.6V，高於最小值目標電壓0.5V。因此，控制單元20從端CRT灌出電流，拉高回饋電壓VFB，補償電壓VCOM所以被降低，電壓控制級4的輸出功率下降，輸出電壓VOUT也就下降。因此，NMOS電晶體N1~NN的汲極電壓中最小值就跟著下降，往目標電壓0.5V接近，可以增加電能使用效率。
    如果背光系統8有調光控制(dimming control)，那二極體陣列12就必須耐受高壓，所以可能不適合與控制單元20一同整合於一單晶片(monolithic)積體電路(integrated circuit)中。對於製造成本而言，背光系統8可能需要改善。
    本發明之一實施例提供一電流控制級，適用於一背光系統。該背光系統包含有一電壓控制級，在一輸出端提供一輸出電壓，具有一補償端。該補償端之補償電壓大約決定該電壓控制級的輸出功率。該背光系統具有一發光元件，其一端耦接於該輸出端。該電流控制級包含有一電流控制器以及一回饋裝置。該電流控制器耦接至該發光元件之另一端，使流經該發光元件的發光電流大約為一電流預設值。該電流控制器具有一控制端，其控制電壓大約控制該發光電流。該回饋裝置，依據該控制電壓，來影響該補償電壓，以使得該控制電壓大約維持在一第一電壓預設值。
    本發明之一實施例提供一定電流控制系統，包含有一電壓控制級、一負載、以及一電流控制級。該電壓控制級在一輸出端提供一輸出電壓。該電流控制級，包含有一電壓控制電流源以及一定電流裝置。該電壓控制電流源具有一控制端，控制流經該負載之電流。該負載耦接於該輸出端與該電壓控制電流源之間。該定電流裝置控制該控制端之一控制電壓，以使流經該負載之該電流大約為一電流預設值。該回饋裝置依據該控制電壓，來影響該電壓控制級之一輸出功率，以使該控制電壓大約維持在一第一電壓預設值。
    本發明之一實施例提供一電流控制方法，適用於控制一發光元件之亮度。該電流控制方法包含有：以一輸出功率，在該發光元件之一端建立一輸出電壓。提供一控制電壓，來大約控制流經該發光元件之另一端的發光電流；控制該控制電壓，以使該發光電流大約為一預設定電流；以及，依據該控制電壓，來調整該輸出功率，以使該控制電壓大約維持在一第一電壓預設值。
    在本說明書中，具有相同符號的元件，為具有大致相同或是類似的功能、結構、組織、或應用之元件，不必然需要彼此完全相同。此業界具有普通相關知識者，基於本說明書的教導，將知道替換或是改變實施例中的元件，來實現本發明。本發明的實施例，並不用於限制本發明的權利範圍。
    第2圖顯示依據本發明所實施的背光系統60，其包含有電壓控制級4、電流控制級62、以及作為背光的發光二極體串L1~LN。
    電壓控制級4，如同第1圖所示，可以是一昇壓電路(booster)。在第1圖中，電源管理器18依據在補償端COM的補償電壓VCOM，來大致控制功率開關15，決定電感元件PRM所轉換的電能，也決定電壓控制級4的輸出功率，以在輸出端OUT上建立輸出電壓VOUT。
    電流控制級62有N個電流控制器C1~CN，分別對應到發光二極體串L1~LN。每個發光二極體串的陽極，都共同連接到輸出端OUT；每個發光二極體串的陰極，都連接到一相對應NMOS電晶體的汲極。每個電流控制器C1~CN最好是都有一樣的電路架構。
    電流控制器C1，舉例來說，具有運算放大器641、NMOS電晶體N1、以及偵測電阻RS1。運算放大器641的非反向輸入耦接到設定電壓Vref，反向輸入耦接到偵測電阻RS1，輸出則驅動NMOS電晶體N1的閘端GATE1。偵測電阻RS1則是耦接於NMOS電晶體N1的源極到接地線之間。NMOS電晶體N1需要流過相當大的電流，所以是一種功率電晶體。閘端GATE1上的控制電壓，大約控制著流經NMOS電晶體N1的電流，也大約等於流經發光二極體串L1的電流，所以NMOS電晶體N1也可以視為一電壓控制電流源。從電路架構可推知，電流控制器C1會將流經NMOS電晶體N1的電流，大約控制在Vref/RRS1這樣的電流預設值，其中，RRS1為偵測電阻RS1的電阻值。
    電流控制級62中還具有回饋裝置66，其包含有運算放大器68以及最大值供應器70。最大值供應器70具有二極體陣列，其中每一二極體之陽極連接到一相對應的電流控制器Cn中的閘端GATEn，而每一二極體之陰極共同連接到運算放大器68的反向輸入。如果最大值供應器70中的二極體皆為理想二極體，運算放大器68的反向輸入之電壓會等於位於閘端GATE1~GATEN之控制電壓中的最大值VGATE-MAX。運算放大器68的非反向輸入耦接到一目標電壓Vtrgt，其輸出耦接至電壓控制級4的端CRT。端CRT可以視為一目標電壓控制端。如果端CRT的電壓降低，則輸出電壓VOUT的目標值會被提高。
    從電流控制級62與電壓控制級4的電路可以推知，在平衡時，運算放大器68的反向輸入會大約維持在目標電壓Vtrgt。換句話說，最大值VGATE-MAX會大約維持在跟目標電壓Vtrgt對應的一電壓預設值。舉例來說，目標電壓Vtrgt是4V，而當下運算放大器68的反向輸入之電壓為4.3V。則運算放大器68從端CRT汲取電流，降低回饋電壓VFB，補償電壓VCOM所以被升高，所以電壓控制級4的輸出功率增加，輸出電壓VOUT也就增加。增加的輸出電壓VOUT意味著閘端GATE1~GATEN之控制電壓可能需要降低，才可以維持流經NMOS電晶體N1~NN的電流不變。因此，電流控制器C1~CN降低閘端GATE1~GATEN之控制電壓，所以使運算放大器68的反向輸入之電壓也隨之降低，往目標電壓Vtrgt接近。
    維持閘端GATE1~GATEN之控制電壓中的最大值VGATE-MAX，就等同於維持NMOS電晶體N1~NN的最低通道電阻(channel resistance)，可以有效的控制電能使用效率。
    相較於第1圖之背光系統8，第2圖之背光系統60中不需要有耐高壓的二極體陣列12，而回饋裝置66也不必要耐受高壓，所以可以與電流控制器C1~CN一起形成於一單晶片積體電路。而且，第1圖中的控制單元20，如果以一單晶片積體電路形成，則需要有一特別接腳(pin)連接至二極體陣列12，來偵測NMOS電晶體N1~NN之最低汲極電壓。第2圖之電流控制級62，如果以一單晶片積體電路形成，就不需要有這樣特別接腳，因為偵測的是NMOS電晶體N1~NN之最高控制電壓，都是積體電路內部信號。因此，電流控制級62可以有比較小之接腳數目(pin count)。
    第2圖之實施例驅動了數個發光二極體串L1~LN，但本發明也可以運用於驅動單一個發光二極體串。本發明另一個實施例跟第2圖之背光系統60一樣，只是電流控制級62只有一個電流控制器C1，背光系統也只有單一發光二極體串L1。
    雖然第2圖中的電壓控制級4為一昇壓電路，但是本發明並不限於此。於此業界具有一般知識者可以以其他種電源轉換電路，譬如降壓轉換器(buck converter)、返馳式轉換器(flyback converter)等等，來取代第2圖中的電壓控制級4，一樣的實現本發明。
    第3圖顯示依據本發明實施之一背光系統80。電壓控制級44可以是任何的電源轉換電路，譬如昇壓電路(booster)、降壓轉換器(buck converter)、返馳式轉換器(flyback converter)等等。電壓控制級44具有補償端COM，其補償電壓VCOM大約決定電壓控制級44對輸出端OUT的輸出功率。舉例來說，補償電壓VCOM越高，電壓控制級44的輸出功率越高。電流控制級72具有電流控制器C以及回饋裝置76。電流控制器C的電路架構與原理可以由先前實施例所推知，不再重述。回饋裝置76為一運算放大器，其反向輸入耦接到目標電壓Vtrgt2，非反向輸入耦接到閘端GATE，其輸出連接到補償端COM，可以影響補償電壓VCOM。
    與第2圖之操作原理類似的，在第3圖中，如果閘端GATE的控制電壓VGATE低於目標電壓Vtrgt2，補償電壓VCOM會被回饋裝置76拉低，輸出端OUT的輸出電壓VOUT降低。因此，電流控制器C會拉高控制電壓VGATE，使其大約維持在目標電壓Vtrgt2附近，且維持流經發光二極體串L的電流為一電流預設值。
    以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
    4．．．電壓控制級
    6．．．電流控制級
    8．．．背光系統
    12．．．二極體陣列
    15．．．功率開關
    20．．．控制單元
    44．．．電壓控制級
    60．．．背光系統
    62．．．電流控制級
    641．．．運算放大器
    66．．．回饋裝置
    68．．．運算放大器
    70．．．最大值供應器
    72．．．電流控制級
    76．．．回饋裝置
    80．．．背光系統
    C、C1~CN．．．電流控制器
    COM．．．補償端
    CRT．．．端
    FB．．．回饋端
    GATE、GATE1~GATEN．．．閘端
    L、L1~LN．．．發光二極體串
    N1~NN．．．NMOS電晶體
    OUT．．．輸出端
    PRM．．．電感元件
    RS1．．．偵測電阻
    VCOM．．．補償電壓
    VFB．．．回饋電壓
    VOUT．．．輸出電壓
    Vref．．．設定電壓
    Vtrgt．．．目標電壓
    Vtrgt2．．．目標電壓
    第1圖顯示習知之一背光系統。
    第2圖與第3圖顯示依據本發明所實施的二背光系統。
    4．．．電壓控制級
    60．．．背光系統
    62．．．電流控制級
    641．．．運算放大器
    66．．．回饋裝置
    68．．．運算放大器
    70．．．最大值供應器
    C1~CN．．．電流控制器
    CRT．．．端
    GATE1~GATEN．．．閘端
    L1~LN．．．發光二極體串
    N1~NN．．．NMOS電晶體
    OUT．．．輸出端
    RS1．．．偵測電阻
    Vref．．．設定電壓
    Vtrgt．．．目標電壓
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種電流控制級，適用於一背光系統，該背光系統包含有一電壓控制級，在一輸出端提供一輸出電壓，具有一補償端，該補償端之補償電壓大約決定該電壓控制級的輸出功率，該背光系統具有一發光元件，其一端耦接於該輸出端，該電流控制級包含有：一電流控制器，耦接至該發光元件之另一端，使流經該發光元件的發光電流大約為一電流預設值，該電流控制器具有一控制端，其控制電壓大約控制該發光電流；以及一回饋裝置，依據該控制電壓，來影響該補償電壓，以使得該控制電壓大約維持在一第一電壓預設值。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之電流控制級，其中，該背光系統包含有複數發光元件，該電流控制級包含有複數電流控制器，分別耦接至並對應該等發光元件，該回饋裝置包含有：一最大值提供器，耦接至該等電流控制器之該等控制端，以提供一主信號，對應該等控制端之該等控制電壓中的最大值；其中，該主信號影響該補償信號，以使該主信號大約維持在一第二電壓預設值。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之電流控制級，該電壓控制級包含有一目標電壓控制端，可控制該輸出電壓，其中，當該控制電壓高於該第一電壓預設值時，該回饋裝置透過該目標電壓控制端，提高該輸出電壓。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述之電流控制級，其中，該電流控制器包含有：一功率電晶體，具有該控制端、一電流輸入端以及一電流輸出端，該電流輸入端耦接至該發光元件之另一端；一偵測電阻，耦接於該電流輸出端與一接地線之間；以及一運算放大器(operational amplifier)，具有一反向輸入、一非反向輸入、以及一輸出，該反向輸入耦接至該偵測電阻，該非反向輸入耦接至一設定電壓，該輸出耦接至該控制端。
    [5] 一種定電流控制系統，包含有：一電壓控制級，在一輸出端提供一輸出電壓；一負載；以及一電流控制級，包含有：一電壓控制電流源，具有一控制端，控制流經該負載之電流，該負載耦接於該輸出端與該電壓控制電流源之間；一定電流裝置，控制該控制端之一控制電壓，以使流經該負載之該電流大約為一電流預設值；以及一回饋裝置，依據該控制電壓，來影響該電壓控制級之一輸出功率，以使該控制電壓大約維持在一第一電壓預設值。
    [6] 如申請專利範圍第5項所述之定電流控制系統，其中，該負載包含有複數發光二極體。
    [7] 如申請專利範圍第5項所述之定電流控制系統，其中，該電壓控制級係為一開關式電源供應器，包含有一補償端，該補償端之補償電壓大約決定該開關式電源供應器之一功率開關的工作比例(duty ratio)，該回饋裝置依據該控制電壓，影響該補償電壓。
    [8] 如申請專利範圍第5項所述之定電流控制系統，其中，該定電流控制系統包含有複數負載，該電流控制級包含有複數電壓控制電流源，分別耦接並對應該等負載，該回饋裝置包含有：一最大值提供器，耦接至該等電壓控制電流源之該等控制端，以提供一主信號，對應該等電壓控制電流源之該等控制電壓中的最大值；其中，該主信號影響該電壓控制級之該輸出功率，以使該主信號大約維持在一第二電壓預設值。
    [9] 一種電流控制方法，適用於控制一發光元件之亮度，包含有：以一輸出功率，在該發光元件之一端建立一輸出電壓；提供一控制電壓，來大約控制流經該發光元件之另一端的發光電流；控制該控制電壓，以使該發光電流大約為一預設定電流；以及依據該控制電壓，來調整該輸出功率，以使該控制電壓大約維持在一第一電壓預設值。
    [10] 如申請專利範圍第9項所述之電流控制方法，適用於控制複數發光元件，該電流控制方法包含有：以該輸出功率，在該等發光元件之一共同端建立一輸出電壓；提供複數控制電壓，每一大約控制流經一相對應發光元件之另一端的一相對應發光電流；依據該等控制電壓中之一最大值，來調整該輸出功率，以使該最大值大約維持在一第一電壓預設值。
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